6 油气田地面工程第27卷第5期(2008 5)
国内小型天然气液化装置及流程
张刘樯(西南石油大学)
周迎(中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司)
师凌冰(中国石油西南油气田分公司川中油气矿广安作业区)
摘要:介绍国内天然气液化的研究现状,总结国内现有的小型天然气液化装置,详细阐述了每一套液化装置的工艺流程,并从深冷技术方面侧重对每套装置的特点进行了分析。按制冷方式不同,国内小型天然气液化装置的液化流程分为三类:级联式液化流程;混合制冷剂液化流程,包括开式、闭式和丙烷预冷;带膨胀机液化流程,包括天然气膨胀、氮气膨胀等。选择LNG液化流程类型,必须根据具体的设计要求和外围条件进行综合考虑,即对不同液化流程的投资成本、比功耗、运行要求以及灵活性进行全面对比,因地制宜,才能最终决定采用何种液化流程。
关键词:天然气液化;小型装置;制冷;流程
1 引言
随着我国天然气工业的发展,国内对天然气液化装置及流程的研究也越来越多。由于我国天然气资源分布的特点以及我国能源的使用情况,目前我国对LNG液化装置的研究主要以小型LNG液化装置为目标。
该装置以天然气为制冷工质,以气体轴承透平膨胀机为主要制冷部件,利用输配气管线进出口(从进口到调压站出口)两端的压差能来实现制冷。其主要特点有: 充分利用天然气本身的压力能,在运行过程中除极少的仪表用电外,几乎不消耗电能; 不用压缩机及辅助系统,节省了设备投资; 采用体积小、重量轻、效率高、能长期可靠运行的气体轴承透平膨胀机。
(2)吉林油田天然气液化装置[2]。吉林油田500型LNG撬装式工业试验装置于1996年12月整体试车成功,各项技术指标均达到或接近设计值,基本达到工业化生产条件,装置流程如图2所示。井口高压天然气(11MPa)经加热,节流后变成低压天然气(1 0MPa),进行油、气、水分离,用国产分子筛对天然气进行深度脱水和脱二氧化碳处理。用气体轴承膨胀机制冷,将高纯度的氮气制冷到-157 ,并在冷箱中与天然气进行换热,使天然气温度降到-130 ,然后节流降压至0 35MPa(-145 ),使之变成液体,即LNG产品,将LNG输送到6m3的绝热槽车中储存运输。
该装置所采用的分子筛深度脱水和深度脱二氧化碳技术、气体轴承膨胀机制冷技术、再生循环压缩机产品开发技术和天然气发动机与氮压机的传动匹配技术在本装置中具有独创性。其中,作为闭式
图1 四川天然气液化装置流程
2 装置及流程简介
(1)四川天然气液化装置[1]。由中国科学院北京科阳气体液化技术联合公司与四川省绵阳市科阳低温设备公司合作研制的300L/h天然气液化装置,是用LNG作为工业和民用气调峰和以气代油的示范工程。该装置于1992年建成,流程如图1所示。高压
气体经
换热器E01预冷,并分离掉重烃。然后,一部分气体进入膨胀机膨胀降温,进入E02换热器,冷却需液化的天然气。未进入膨胀机的天然气经过换热器E02冷却,节流降温后进入LNG储罐储存。回路的氮气膨胀机循环制冷工艺核心设备的气体轴承膨胀机在当时是一种先进的制冷设备,它同油轴承透平膨胀机相比,具有造价低、结构简单、操作方便、寿命长等优点。
(3)陕北气田天然气液化装置。1999年1G[3]
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图2 吉林油田天然气液化装置流程
1 采油树;2 水套炉;3 油嘴;4 分离器;5 过滤器;6 天然气干燥器;7 分子筛过滤器;8 冷箱(气体轴承膨胀机和板翅式换热器);9 LNG槽车;10 滑片压缩机;11 再生分离器;12 再生冷却器;13 气体加热炉;14 氮气缓冲罐;15 氮压机;16 后冷却器;17 氮气干燥器
庆油田靖边基地内,以偏远单井所产小量天然气为原料,日处理天然气2 104m3。原料气压力25MPa,液化装置中天然气的入口压力为4 1MPa。图3为其液化流程示意图。高压气体经氨蒸发器、第二预冷器冷却,一部分进入气波制冷机和透平膨胀机膨胀降温,与返流气混合为第三、第二、第一预冷器提供冷量;另一部分经第三预冷器、深冷换热器冷却并节流后进入分离器,产生的气体返流冷
量回收,产生的液体进入LNG储罐。
该装置特点: 采用天然气膨胀制冷循环; 通过低温甲醇洗和分子筛干燥联合进行原料气净化; 采用气波制冷机和透平膨胀机联合进行低温制冷; 以燃气发动机作为循环压缩机的动力源; 利用燃气发动机的尾气作为加热分子筛再生气的热源。
(4)中原油田天然气液化装置[4]。2001年,
中原油田河南中原绿能高科有限责任公司兴建的我
图3 陕北气田天然气液化装置流程
1 氨蒸发器;2 第二预冷器;3 第三预冷器;4 深冷换热器;5 分离器;6 气波制冷机;7、8 透平膨胀机;9、11、13 水冷却器;10 第一预冷器;12、14 循环压缩机;15 LNG储罐
国首家液化天然气工厂竣工,并一次投料试车成功。装置日处理原料天然气30 104m3,生产液化天然气108t,液化率达到50%。
装置采用丙烷和乙烯为制冷剂的级联式循环,图4为液化流程示意图。原料天然气进入装置后,首先进入分液罐除去原料气中的液体,然后进入过滤器过滤掉粒径大的液体和固体。过滤后的天然气进入脱CO2塔,用一乙醇胺(MEA)法脱除CO2;脱CO2后的天然气用分子筛干燥器进行脱水处理。预处理流程中有两台干燥器切换使用,其中一台干燥,另一台再生。净化后的天然气,首先利用丙烷制冷循环经过中压和低压丙烷换热器冷却,然后节流降温进入高压天然气分离器进行气液热器和中压LNG换热器冷却,再节流降温进入中压天然气分离器,产生的液相进一步经低压LNG换热器冷却及节流后进入低压天然气分离器,气相返流冷量回收,液相流入LNG储罐储存。
从流程可以看出,该装置的特点是充分利用天然气气井自身高压的特点(12MPa),以气体压力为能量,采取分离、脱水、脱CO2、脱重烃等预处理后,经过分级制冷、部分液化工艺,使天然气在0 3MPa、-145 的条件下液化。该工艺与国外通常采用的 氮气+甲烷 混合循环制冷工艺相比,具有收率高、投资少、能耗低、运行费用低、运行可靠等特点。
(5)哈尔滨燃气工程设计研究院与哈尔滨工计[5]装
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图4 中原油田天然气液化装置流程
1 分液罐;2 过滤器;3 脱CO2塔;4 干燥器;5 中压丙烷换热器;6 低压丙烷换热器;7、11、14 节流阀;8 高压天然气分离器;9 乙烯换热器;10 中压LNG换热器;12 中压天然气分离器;13 低压LNG换热器;15 低压天然气分离器;16 LNG储槽
图5所示。经过脱水和脱CO2处理的天然气通过一个多级单混冷凝过程被液化,制冷压缩机由天然气发动机驱动。在天然气从LNG系统输出的过程中,LNG首先通过LNG储罐内的潜液泵被输入浸没式燃烧器加热,气化后经过加臭进入天然气输配系统。在运行过程中,由于周围空气总要通过储罐的隔热层将一部分热量传递到罐内,致使天然气温度上升,压力增高,因此需要定期抽取LNG储罐上部空间的气相,经处理后送到天然气输配系统,以保持LNG
低温的状态。
是天然气预处理、气体分离、深冷技术以及大型低温容器设计与工艺等方面的综合,而其中又以深冷技术为核心。目前可用于小型天然气液化装置的流程很多,以制冷方式可分为3种模式: 级联式液化流程; 混合制冷剂液化流程,包括开式、闭式和丙烷预冷; 带膨胀机液化流程,包括天然气膨胀、氮气膨胀等。
选择何种类型的LNG液化流程,必须根据具体的设计要求和外围条件进行综合考虑,即对不同液化流程的投资成本、比功耗、运行要求以及灵活性进行全面对比,因地制宜,才能最终决定采用何种液化流程。总之,高效、经济的小型天然气液化装置有利于提高天然气开发效率、推动天然气应用和改善能源结构,其应用前景十分广阔。参考文献
[1]杨克剑,姚中良.300L/d天然气液化装置的设计[J].天然气工
业,1994,14(2):84-85.
[2]孙立权,张先武.撬装式天然气液化装置研制与开发[J].天然气
图5 哈工大天然气液化装置流程
工业,1998,18(4):85-88.
[3]顾安忠,石玉美,汪荣顺.中国液化天然气的发展[J].石油化工
技术经济,2004,19(1):1-7.
[4]李奇.中原油田建首家液化天然气工厂[J].深冷技术,2001,
(6):30.
[5]张宏伟,焦文玲,王奎昌.天然气的净化与液化工艺[J].煤气与
热力,2004,24(3):170-17.
该装置有如下特点: 为保证天然气中甲烷的纯度,重质气态烃在热交换器的冷凝、液化过程中被分离出来,送至燃气系统,作为天然气气化的加热燃料,从而节省了运行费用,加快了投资回收; 压缩机采用非润滑式特殊设计,可避免天然气被润滑油污染; 采用装有电子速度控制系统的透平,并且新型透平的最后几级叶片用钛合金制造,改善了机械运转; 安装于透平压缩机上的新型离合器是挠性的,间隙可调,且提高了压缩机的可靠性。
[第一作者简介]张刘樯:在读硕士研究生,2006年毕业于西南石油大学油气储运专业,现在西南石油大学攻读油气储运专业硕士学位,研究方向为石油与天然气储运。
(028)83032008、zhang_lq@yeah net
(栏目主持 杨 军)
3 结语